孔華彪

天津地區(qū)辦公建筑外遮陽(yáng)的節(jié)能分析

孔華彪

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司建筑院 天津 300308）

為研究分析天津地區(qū)辦公建筑全年采暖及供冷能耗及采用外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的節(jié)能潛力，以天津地區(qū)典型辦公建筑為研究對(duì)象，基于天津所處寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，利用Energyplus軟件計(jì)算了辦公建筑在不同朝向安裝不同傾角外遮陽(yáng)時(shí)的冷、熱負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果為合理設(shè)計(jì)天津地區(qū)辦公建筑外遮陽(yáng)構(gòu)件提供依據(jù)。

外遮陽(yáng)；建筑節(jié)能；能耗模擬

0 引言

外遮陽(yáng)在建筑中的應(yīng)用由來(lái)久遠(yuǎn)，許多建筑師都把它與建筑空間形態(tài)塑造、界面設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起。然而人們?cè)谧⒁獾狡渌囆g(shù)性的同時(shí)忽視了它控制太陽(yáng)輻射的功能，從而造成建筑在夏季能耗過(guò)大。在節(jié)能降耗成為建筑設(shè)計(jì)關(guān)注重點(diǎn)的背景下，科學(xué)有效地應(yīng)用建筑外遮陽(yáng)對(duì)建筑能耗進(jìn)行控制是普遍關(guān)注的重要研究方向。同濟(jì)大學(xué)的李崢嶸對(duì)透過(guò)建筑外百葉遮陽(yáng)進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射得熱進(jìn)行了分析，并以建筑全年能耗為控制指標(biāo)，提出了總輻射凈得益量的概念，對(duì)建筑外百葉遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[1]。西南交通大學(xué)的朱燕燕提出了一個(gè)建筑遮陽(yáng)節(jié)能評(píng)價(jià)體系，全面反映了夏熱冬冷地區(qū)建筑遮陽(yáng)的節(jié)能效果[2]。

建筑遮陽(yáng)設(shè)計(jì)需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂?，相關(guān)研究和應(yīng)用主要在南方，北方寒冷地區(qū)相對(duì)較少。因此本文以天津地區(qū)典型辦公建筑為研究對(duì)象，基于天津所處寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，利用Energyplus軟件計(jì)算了辦公建筑在不同朝向安裝不同傾角外遮陽(yáng)時(shí)的冷、熱負(fù)荷，并分析建筑全年采暖供冷能耗及其節(jié)能量，為合理設(shè)計(jì)天津地區(qū)建筑外遮陽(yáng)構(gòu)件提供依據(jù)。

1 天津地區(qū)的氣候特征

天津市位于我國(guó)建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)中的寒冷地區(qū)，全年月平均溫度和月總輻射量如圖1所示，太陽(yáng)輻射總量有明顯的年季變化，冬季最小，夏季最大。月輻射量最大值出現(xiàn)在5月，約為630MJ/m2；最小值出現(xiàn)在11月，約為200MJ/m2[3]。

圖1 天津地區(qū)月平均溫度和月總輻射

2 計(jì)算模型的建立

2.1 建筑能耗模擬軟件Energyplus簡(jiǎn)介[4]

EnergyPlus是美國(guó)能源部開(kāi)發(fā)的建筑能耗分析軟件，用戶輸入描述建筑物理特征和相關(guān)設(shè)備的參數(shù)之后，軟件就能計(jì)算得到所有得到設(shè)定條件下的冷熱負(fù)荷，并且能夠得出空調(diào)冷熱源和末端風(fēng)機(jī)等設(shè)備的具體能耗。它采用集成同步的負(fù)荷／系統(tǒng)／設(shè)備的模擬方法，利用熱平衡法模擬負(fù)荷和CTF模塊模擬墻體、屋頂、地板等的瞬態(tài)傳熱。本文采用典型氣象年數(shù)據(jù)作為逐時(shí)室外計(jì)算氣象數(shù)據(jù)，利用Energyplus軟件計(jì)算建筑冷熱負(fù)荷及其能耗。

2.2 建筑模型概況

本文計(jì)算的建筑模型為天津市某辦公樓，如圖2所示。該建筑朝向?yàn)槟希L(zhǎng)寬均為30m，共12層，層高為3.5m，總建筑面積為10800m2，各朝向窗墻比均為35%。選定沒(méi)有設(shè)置外遮陽(yáng)構(gòu)件的建筑為參照建筑，設(shè)置外遮陽(yáng)構(gòu)件的建筑為設(shè)計(jì)建筑。設(shè)計(jì)建筑中選取寬為0.5m、長(zhǎng)為30m的遮陽(yáng)板安裝與外窗上沿，安裝傾角分別為0°、10°、20°、30°、40°（過(guò)大的傾角影響室內(nèi)自然采光）。

根據(jù)GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)模型建筑主要熱工參數(shù)如下：（1）外墻為10mm水泥砂漿+240mm加氣混凝土磚+100mm發(fā)泡聚苯乙烯保溫+20mm石膏灰泥墻面，綜合傳熱系數(shù)為0.244W/m2·K；（2）屋頂為50mm瀝青膨脹珍珠巖保溫+200mm現(xiàn)澆鋼筋混凝土+100mm發(fā)泡聚苯乙烯保溫+20mm石膏灰泥墻面，綜合傳熱系數(shù)為0.303W/m2·K；（3）外窗為鋁合金中空雙層玻璃窗，采用普通3mm玻璃，綜合傳熱系數(shù)為1.96W/m2·K。

圖2 建筑模型

2.3 采暖空調(diào)負(fù)荷計(jì)算參數(shù)

建筑采暖空調(diào)負(fù)荷計(jì)算參數(shù)：（1）辦公區(qū)冬季18℃、夏季26℃、新風(fēng)量30m3/(人·h)、人員密度4m2/人、照明功率密度10W/m2、設(shè)備功率密度15W/m2；（2）衛(wèi)生間冬季16℃、夏季28℃、新風(fēng)量30m3/(人·h)、人員密度20m2/人、照明功率密度5W/m2、設(shè)備功率密度5W/m2；（3）樓梯走廊為非空調(diào)區(qū)域。表1為辦公室人員逐時(shí)在室率（設(shè)備、照明使用率相同）。

表1 人員在室率

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 建筑冷熱負(fù)荷模擬結(jié)果及分析

模擬計(jì)算出參照建筑采暖熱負(fù)荷為437368.6kWh、空調(diào)冷負(fù)荷為608461.8kWh，設(shè)計(jì)建筑各朝向安裝不同傾角的外遮陽(yáng)板的全年冷熱負(fù)荷如圖2所示。各朝向安裝外遮陽(yáng)板的設(shè)計(jì)建筑采暖熱負(fù)荷均隨安裝傾角增大而增大，冷負(fù)荷均隨安裝傾角增大而減小。安裝傾角一定時(shí)，安裝南向遮陽(yáng)板的建筑冬季熱負(fù)荷明顯大于安裝東西向遮陽(yáng)板的建筑熱負(fù)荷，其中西向略大于東向；各朝向安裝遮陽(yáng)板后的建筑夏季冷負(fù)荷：南向最大,西向最小。原因主要是位于北半球的冬季太陽(yáng)高度角小，建筑南立面接收太陽(yáng)輻射較東、西立面多，遮陽(yáng)板的采用會(huì)一定幅度衰減這部分有利輻射；而夏季太陽(yáng)高度角更大，日曬時(shí)間更長(zhǎng)，尤其是西曬與東曬，從而使得建筑接收的太陽(yáng)輻射西立面大于東立面大于南立面，且均隨遮陽(yáng)板傾角增大，各立面被遮擋的太陽(yáng)輻射增多。

圖2 建筑冷熱負(fù)荷

3.2 建筑全年采暖空調(diào)能耗分析

辦公樓夏季采用家用空調(diào)供冷，冬季采用燃煤鍋爐供熱水散熱器采暖，空調(diào)機(jī)為3，燃煤鍋爐效率為0.8。由于煤和電在能源品位上存在差異，為便于分析全年采暖空調(diào)總能耗，采用等效電法將耗煤量折算成電力[5]，折算系數(shù)取45.4%。因此可根據(jù)式（1）、（2）計(jì)算出建筑全年采暖空調(diào)總耗電量：

采暖等效耗電量=熱負(fù)荷÷鍋爐效率×折算系數(shù)（煤/電） （1）

空調(diào)耗電量=冷負(fù)荷÷空調(diào)機(jī)COP （2）

如圖3所示。若冬夏季采用恒定不變的外遮陽(yáng)傾角，南向安裝外遮陽(yáng)時(shí)建筑全年總能耗隨傾角增大而增大，東、西向隨傾角增大而減小，且南向安裝時(shí)建筑總能耗遠(yuǎn)大于東向，東向略大于西向。主要由于建筑南向遮陽(yáng)時(shí)冬季太陽(yáng)輻射影響大于東、西向，導(dǎo)致采暖能耗過(guò)大，而對(duì)夏季空調(diào)能耗減小量比東、西向遮陽(yáng)貢獻(xiàn)較少。將設(shè)計(jì)建筑采暖空調(diào)總能耗與參照建筑比較得出建筑各朝向安裝不同傾角遮陽(yáng)板時(shí)建筑節(jié)能量，如圖4所示。南向遮陽(yáng)在冬季采暖季對(duì)建筑節(jié)能是不利的，且該能耗增值隨傾角增大而增大；統(tǒng)籌全年考慮，東、西向遮陽(yáng)對(duì)建筑節(jié)能是有利的，且節(jié)能量隨傾角增大而增大，西向略優(yōu)于東向。

圖3 采暖空調(diào)總能耗

圖4 節(jié)能量

4 結(jié)論

本文利用Energyplus建立模型分析天津地區(qū)外遮陽(yáng)對(duì)建筑全年空調(diào)冷熱負(fù)荷的影響及其節(jié)能量，得出以下主要結(jié)論：

（1）各朝向安裝外遮陽(yáng)板的設(shè)計(jì)建筑采暖熱負(fù)荷均隨安裝傾角增大而增大，冷負(fù)荷均隨安裝傾角增大而減小。

（2）南向外遮陽(yáng)角度在全年使用時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮確定，在冬夏兩季不應(yīng)選取同一角度，應(yīng)盡量采取措施減少冬季南向外遮陽(yáng)角度過(guò)大會(huì)造成的熱負(fù)荷增高；而東、西向遮陽(yáng)，經(jīng)全年統(tǒng)籌考慮，對(duì)建筑節(jié)能是有利的，且節(jié)能量隨傾角增大而增大。

[1] 李崢嶸.基于能耗控制的建筑外百葉遮陽(yáng)優(yōu)化研究[J].暖通空調(diào),2007,37(11):5-13.

[2] 朱燕燕.夏熱冬冷地區(qū)建筑遮陽(yáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其節(jié)能評(píng)價(jià)[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[3] 吳繼臣,徐剛.全國(guó)主要城市冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(10):136-139.

[4] 周欣,燕達(dá),洪天真,等.建筑能耗模擬軟件空調(diào)系統(tǒng)模擬對(duì)比研究[J].暖通空調(diào),2014,44(4):113-122.

[5] 江億,楊秀.在能源分析中采用等效電方法[J].中國(guó)能源,2010,32(5):5-11.

Analysis on Energy Conservation Performance of External Shading in Office Building in Tianjin

Kong Huabiao

( China Railway Design Corporation, Tianjin, 300308 )

In this paper, annual heating and cooling energy consumption and energy conservation performance of external shading in office building in Tianjin has been analyzed. Based on local meteorological parameters in cold zone, heating and cooling load of a typical office building in city has been calculated by Energyplus. Diverse installation orientations and angles of external shading were analyzed in simulation respectively. Results have been considered reliable for external shading designing in office building in Tianjin.

external shading; energy conservation in building; energy consumption simulation

1671-6612（2020）06-765-04

TU111.19+5

A

孔華彪（1985.12-），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，E-mail：280852844@qq.com

2017-01-18